物聯(lián)網(wǎng)時代下的5G通信技術(shù)探思

李鵬舉

(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司邯鄲市分公司,河北邯鄲 056002)

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用,中國已全面進(jìn)入移動互聯(lián)網(wǎng)時代。從4G時代發(fā)展到5G時代,5G技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)提供了良好的進(jìn)步環(huán)境和空間,物聯(lián)網(wǎng)也為5G技術(shù)的發(fā)展提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1 5G通信技術(shù)的基本介紹

從移動通信技術(shù)的發(fā)展來看,2G通信技術(shù)規(guī)格以數(shù)字語音傳輸技術(shù)為核心,取得了移動通信技術(shù)的跨時代發(fā)展;3G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息的新通信模式;4G技術(shù)集3G與WLAN于一體,能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像等;而5G,即“第五代移動通信技術(shù)”則是由2G、3G和4G系統(tǒng)延伸而來的最新一代蜂窩移動通信技術(shù)。和傳統(tǒng)技術(shù)相比,5G技術(shù)具有比較明顯的優(yōu)勢:數(shù)據(jù)速率高、降低時延問題、提高系統(tǒng)容量、節(jié)約能源、減少成本等。由于5G技術(shù)既能滿足高清視頻,虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸;又能靈活地自動調(diào)整,有利于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的個性化需求,因此,5G技術(shù)被運(yùn)用于大量的復(fù)雜使用環(huán)境之中。如今,中國各大運(yùn)營商以及5G設(shè)備商都在大力研究和促進(jìn)應(yīng)用5G技術(shù)的發(fā)展,并已取得了一系列重大成果。他們致力于實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)基本介紹

物聯(lián)網(wǎng)概念最早被比爾蓋茨提出,是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)借助無線通信網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用傳感器技術(shù)將各種物體集成到網(wǎng)絡(luò)中,通過控制移動終端來實(shí)現(xiàn)信息獲取、傳遞和處理。物聯(lián)網(wǎng)不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境、安保等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,有效推動了這些產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展,使得資源分配與使用更加合理,從而提高了行業(yè)效益;也被教育、醫(yī)療健康、金融等生活領(lǐng)域所運(yùn)用,極大地提高了人們的生活質(zhì)量。同時,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被運(yùn)用到軍事領(lǐng)域中,有效提升了軍事的智能化和信息化,極大提升了軍事戰(zhàn)斗力,推動了軍事的發(fā)展。盡管物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已漸成規(guī)模,但在技術(shù)、成本及安全等方面仍面臨許多挑戰(zhàn)。

3 5G移動通信技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 優(yōu)秀的節(jié)能效果

由于5G移動通信技術(shù)強(qiáng)大的兼容性和靈活性,5G通信網(wǎng)絡(luò)一般功耗較低,不會消耗過多的能源,有節(jié)能減排的效果。5G技術(shù)的環(huán)保特性,正好符合中國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo),為后續(xù)發(fā)展提供了非常廣闊的空間。

3.2 高效的網(wǎng)絡(luò)使用效率

基于5G技術(shù)數(shù)據(jù)率高的特點(diǎn),5G網(wǎng)絡(luò)無論是接收頻率還是信號傳輸能力都要明顯優(yōu)于4G。5G技術(shù)的發(fā)展,極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的使用效率,能夠輕松應(yīng)對外部復(fù)雜的環(huán)境,進(jìn)一步推動了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。5G技術(shù)不僅改變企業(yè)的經(jīng)營模式,也改變了人們的生活模式,實(shí)現(xiàn)了萬物的互聯(lián)。

3.3 良好的可擴(kuò)展性

5G技術(shù)在結(jié)合前4代移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了“用戶體驗(yàn)”。5G技術(shù)因其高覆蓋和速率高的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了全新的功能,給用戶提供了更多的便利,極大地提升了用戶體驗(yàn)。相比前4代通信技術(shù),5G技術(shù)的可擴(kuò)展性取得了極大地提高,大大擴(kuò)展移動通信的應(yīng)用廣度與深度,完成了個人到產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)了與實(shí)體經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展,5G技術(shù)的擴(kuò)展性必將推動人類文明更快的發(fā)展。

3.4 值得信賴的安全性

和4G相比,5G的信息傳輸延時更低,但系統(tǒng)容量更大,因此5G的實(shí)時傳輸效果更好,更為安全可靠。安全協(xié)議將進(jìn)一步優(yōu)化各方在資源整合、標(biāo)準(zhǔn)制定方面的聯(lián)動機(jī)制,為保護(hù)用戶隱私及安全方面奠定良好基礎(chǔ),促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 物聯(lián)網(wǎng)對5G的相關(guān)需求

4.1 5G與物聯(lián)網(wǎng)的交互作用

就現(xiàn)階段而言,物聯(lián)網(wǎng)的良好發(fā)展不僅需要一個完整且嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來維持其運(yùn)作,還需要能夠連接到移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋,谷歌率先完成了4G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合,形成了一個覆蓋面更大、更現(xiàn)實(shí)的移動網(wǎng)絡(luò)。但4G能耗較高,速度較低,它相對較低,對網(wǎng)絡(luò)安全非常的可靠性要求比較高。物聯(lián)網(wǎng)在進(jìn)行信息交換的過程中需要借助網(wǎng)絡(luò)的功能來完成信息的傳送和處理。從發(fā)展角度為說,為保證信息的安全及傳輸效率,不僅需要更好技術(shù)服務(wù)體系,還需要按照相關(guān)行業(yè)的安全章程來把控。因此5G網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)提供了良好的進(jìn)步空間,創(chuàng)造了更有利的發(fā)展環(huán)境。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)的市場需求

隨著中國經(jīng)濟(jì)體制的逐步完善,房地產(chǎn)經(jīng)濟(jì)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的地位,對中國的發(fā)展體系起著一定程度的影響作用。盡管目前中國仍處于發(fā)展階段,房地產(chǎn)的發(fā)展前景依然廣闊,尤其是住房環(huán)境方面仍有非常大的發(fā)展空間?，F(xiàn)階段,由于智能家電設(shè)備造價昂貴,不符合普通群眾的消費(fèi)水平,智能家居市場存在較大空缺。隨著中國加入世界貿(mào)易組織,對研究和發(fā)展綠色建筑日益重視,追求環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被運(yùn)用到建筑中,對綠色建筑系統(tǒng)起著非常重要的監(jiān)管作用,為中國綠色建筑發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

5 物聯(lián)網(wǎng)中5G技術(shù)的應(yīng)用

5.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

相比4G時代,5G時代的移動網(wǎng)絡(luò)可以支持更多種的業(yè)務(wù)類型和更多樣的終端,針對不同的業(yè)務(wù)類型,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求也不盡相同,因此傳統(tǒng)的“一個大小”滿足所有需求的蜂窩網(wǎng)絡(luò)模式已逐漸不能應(yīng)對越來越個性化的網(wǎng)絡(luò)需求。在此基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的方式,即在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源切片,分離出多個虛擬網(wǎng)絡(luò),每個網(wǎng)絡(luò)切片在性能指標(biāo)互不影響的前提下,按照該部分業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng),以適配各種各樣類型的場景,滿足不同個性化服務(wù)的需求。網(wǎng)絡(luò)切片是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,它不僅需要訪問核心網(wǎng)絡(luò),還需要訪問服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)?；诰W(wǎng)絡(luò)切片,運(yùn)營商不僅可以把業(yè)務(wù)從傳統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)拓展到萬物互聯(lián),還可以形成新的商業(yè)模式,極大地提升運(yùn)營的效率。

5.2 SDN及NFV技術(shù)

SDN一般指軟件定義網(wǎng)絡(luò),是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新結(jié)構(gòu),通過提升網(wǎng)絡(luò)可編程能力,對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或重構(gòu)。SDN按照標(biāo)準(zhǔn)的Openflow協(xié)議,把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為獨(dú)立的控制設(shè)備和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,不僅簡化了轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的功能,也實(shí)現(xiàn)了靈活的可編程性,使移動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)更加靈活。

NFV即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化,指通過運(yùn)用許多類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)合云計(jì)算虛擬技術(shù),在一定程度上簡化網(wǎng)絡(luò)升級、降低新硬件采購成本的技術(shù)。NFV不僅實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)虛擬化,也提供了靈活和低成本的增值功能,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可操作性。NFV的業(yè)務(wù)功能和SDN的統(tǒng)一控制功能相輔相成,不僅對物聯(lián)網(wǎng)中各類數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,增加了系統(tǒng)的靈活性,還非常有效地提高5G網(wǎng)絡(luò)彈性,降低了運(yùn)營成本。

5.3 新空中接口技術(shù)

5GNR是基于正交頻分復(fù)用的全新空口設(shè)計(jì)的全球性5G標(biāo)準(zhǔn),是在4G基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新,是非常重要的蜂窩移動技術(shù)基礎(chǔ)。5G新空中接口技術(shù)的研發(fā),實(shí)現(xiàn)了空間和代碼等域的資源重復(fù)利用效率提升,達(dá)到了節(jié)約能源的效果。

正交頻分復(fù)用,即OFDM,經(jīng)過優(yōu)化后,能夠?qū)⒏咚俾蕯?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成正交子載波,因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)復(fù)雜性較低、頻譜利用率較高的特點(diǎn),被4G系統(tǒng)廣泛采用。但隨著5G時代的來臨,OFDM靈活性不足的問題也日益顯現(xiàn)。為滿足5G通信系統(tǒng)對資源的個性化業(yè)務(wù)需求,不同字載波帶的長度和寬度也需要得到相應(yīng)的發(fā)展?；?G技術(shù)的低延遲特性,在頻域中需要較寬的字載波帶才能使得其他系統(tǒng)服務(wù)在時域中消耗非常小的傳輸時間間隔,獲得非常短的符號周期。尤其在大規(guī)模應(yīng)用場景中,單個的傳感器數(shù)據(jù)量都處在極低水平,對子載波帶寬和符號周期及傳輸時間間隔都有了進(jìn)一步要求, 才能讓網(wǎng)絡(luò)能智能應(yīng)對不同業(yè)務(wù)的要求。

6 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展,通過將各類信息傳感裝置與技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò),來實(shí)現(xiàn)在人與物、物與物在任何時間和地點(diǎn)的互聯(lián)互通,因此物聯(lián)網(wǎng)也被稱為傳感網(wǎng)。隨著科技的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在公共安全服務(wù)、城市智能交通系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域,有效推動了這些產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展,使人們的生活更加便捷。物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層這三個層次構(gòu)建,是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其中,感知層通過運(yùn)用智能傳感器、二維碼等設(shè)備,采集、獲取和識別各類信息。網(wǎng)絡(luò)層利用有線和無線網(wǎng)絡(luò)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、認(rèn)證和傳輸,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。應(yīng)用層主要提供服務(wù)功能,可以提供如工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境控制等監(jiān)控服務(wù)。目前,物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心技術(shù)是RFID(射頻識別技術(shù)),即通過無線射頻方式達(dá)到物品識別、信息感應(yīng)、傳遞、處理和儲存的目的,是最具發(fā)展?jié)摿Φ淖詣幼R別技術(shù)之一[2]。

物聯(lián)網(wǎng)在21世紀(jì)獲得關(guān)注并迅速發(fā)展,美國、日本及歐盟等國家陸續(xù)提出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略,推動了物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展進(jìn)程。物聯(lián)網(wǎng)被多個領(lǐng)域所運(yùn)用,從而引發(fā)了整個行業(yè)的創(chuàng)新浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展壯大主要受計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的影響,是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)熱潮。在信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的大力支持下,物聯(lián)網(wǎng)被應(yīng)用在多個領(lǐng)域,市場前景廣闊,是現(xiàn)階段最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,其對安全性及時延性要求也越來越高,這也為5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中得到更好運(yùn)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

7 物聯(lián)網(wǎng)、移動技術(shù)共同發(fā)展

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展受新一代移動通信技術(shù)發(fā)展的影響,而物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心就是互聯(lián)網(wǎng),因此通信技術(shù)的發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起著重要的推動作用。移動網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展關(guān)鍵是通信速度、網(wǎng)絡(luò)延時以及系統(tǒng)容量,新興的5G多址技術(shù)可以顛覆傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式,將移動網(wǎng)絡(luò)接入的數(shù)量提高到近百倍,極大地拓展了數(shù)據(jù)容量,降低時延問題,在這樣的背景下物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),也就是設(shè)備的遠(yuǎn)程對接與操控就更加便捷,設(shè)備與設(shè)備之間的連接數(shù)目與數(shù)據(jù)傳輸效率都大幅度提升,實(shí)現(xiàn)超可靠的大規(guī)模機(jī)械通訊,并且在這樣高性能的基礎(chǔ)上,5G設(shè)備的耗能不僅沒有增加, 并且得到了進(jìn)一步的降低,甚至是超低能耗,為智能化物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來的更大便利?；?G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面更大、組建靈活性更高、性能更加優(yōu)越等優(yōu)勢,5G通信網(wǎng)絡(luò)即可以支持高密度寬帶業(yè)務(wù),還能支持大規(guī)模的移動設(shè)備通信,從而實(shí)現(xiàn)移動終端多元化、融合化發(fā)展,能夠滿足人民的個性化生活需求。

將移動通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合不僅能夠使物聯(lián)網(wǎng)具備5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢,還能擴(kuò)大服務(wù)的覆蓋面積,減少物聯(lián)網(wǎng)的投入成本。5G與物聯(lián)網(wǎng)是相互發(fā)展且相互依賴的兩項(xiàng)技術(shù),它們共同組成了智能化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體系[3]。從需求方面來看,物聯(lián)網(wǎng)首先需要滿足信息的識別和讀取需求,其次需要通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸和共享這些信息,然后互聯(lián)網(wǎng)用戶增長將帶來系統(tǒng)管理和信息數(shù)據(jù)分析,最后通過改變企業(yè)的經(jīng)營模式及人們的生活方式,從而達(dá)到萬物互聯(lián)的追求。未來物聯(lián)網(wǎng)市場將向細(xì)分、差異化、定制化方向轉(zhuǎn)變,未來增長有可能超過預(yù)期。隨著網(wǎng)絡(luò)安全體制的逐步建立,物聯(lián)網(wǎng)能選擇最佳的通信網(wǎng)絡(luò),即無線通信網(wǎng)絡(luò)體系。目前,全球網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)行不斷融合,呈跨越式發(fā)展的趨勢。5G網(wǎng)絡(luò)的良好的性能更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求,所以5G移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相輔相成,起著互相推動的作用。

8 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)被越來越多的領(lǐng)域所應(yīng)用,為人民生活帶來日新月異的影響。而5G移動通信技術(shù)的發(fā)展則為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的擴(kuò)展提供了更多可能性,推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的同時,也使人民獲得更加智能便捷的服務(wù),從而促進(jìn)了社會更好的發(fā)展。